Гідроелектростанція (ГЕС)
Гідроелектростанція (ГЕС) - електростанція, що перетворює механічну енергію потоку води в електричну енергію за допомогою гідравлічних турбін, що призводять в обертання електричні генератори. Потужність найбільших гідроелектростанцій до декількох ГВт (напр. Красноярської ГЕС - 6 ГВт).
Рис.1. Одна з найбільших по виробленню російська ГЕС - Братська
Особливості
- Собівартість електроенергії на російських ГЕС більше ніж в два рази нижче, ніж на теплових електростанціях.
- Генератори ГЕС можна досить швидко вмикати і вимикати в залежності від споживання енергії.
- Перебіг річки є поновлюваним джерелом енергії.
- Значно менший вплив на повітряне середовище, ніж іншими видами електростанцій.
- Будівництво ГЕС зазвичай більш капіталомістке.
- Часто ефективні ГЕС більш віддалені від споживачів.
- Водосховища часто займають значні території, але, приблизно, з 1963 р почали використовуватися захисні споруди (Київська ГЕС), які обмежували площа водосховища, і, як наслідок, обмежували площа затоплюваної поверхні (поля, луки, селища).
- Греблі часто змінюють характер рибного господарства, оскільки перекривають шлях до нерестовищ прохідним рибам, проте часто сприяють збільшенню запасів риби в самому водосховищі та здійснення рибництва.
Принцип роботи
Мал. 2. Схема греблі гідроелектростанції
Принцип роботи ГЕС досить простий. Ланцюг гідротехнічних споруд забезпечує необхідний напір води, що надходить на лопаті гідротурбіни, яка приводить в дію генератори, що виробляють електроенергію.
Необхідний напір води утворюється за допомогою будівництва греблі, і як наслідок, концентрації річки в певному місці, або деривації - природним струмом води. У деяких випадках для отримання необхідного напору води використовують спільно і греблю, і деривації.
Безпосередньо в самій будівлі гідроелектростанції розташовується все енергетичне обладнання. Залежно від призначення воно має своє певне поділ. У машинному залі розташовані гідроагрегати, безпосередньо перетворюють енергію струму води в електричну енергію. Є ще всіляке додаткове обладнання, пристрої керування й контролю над роботою ГЕС, трансформаторна станція, розподільні пристрої й багато іншого.
Гідроелектричним станції поділяються в залежності від вироблюваної потужності:
- потужні - виробляють від 25 МВт і вище;
- середні - до 25 МВт;
- малі гідроелектростанції - до 5 МВт.
Потужність ГЕС безпосередньо залежить від натиску води, а також від ККД використовуваного генератора. Через те, що за природними законами рівень води постійно змінюється, в залежності від сезону, а також ще по ряду причин, в якості вираження потужності гідроелектричної станції прийнято брати циклічну потужність. Наприклад, розрізняють річний, місячний, тижневий або добовий цикли роботи гідроелектростанції.
Типова для гірських районів Китаю мала ГЕС (ГЕС Хоуцзибао, повіт Сіншань округу Ічан, пров. Хубей). Вода надходить з гори по чорному трубопроводу.
Гідроелектростанції також діляться в залежності від максимального використання напору води:
- високонапорние - понад 60 м;
- середньонапірні - від 25 м;
- низьконапірні - від 3 до 25 м.
Гідроелектричним станції також розділяються в залежності від принципу використання природних ресурсів, і, відповідно, утворюється концентрації води. Тут можна виділити наступні ГЕС:
- Руслових і пріплотінние ГЕС. Це найбільш поширені види гідроелектричних станцій. Напір води в них створюється за допомогою установки мостом, повністю перегороджує річку, або піднімає рівень води в ній на необхідну позначку. Такі гідроелектростанції будують на багатоводних рівнинних річках, а також на гірських річках, в місцях, де русло річки вужче, стислий.
- Греблі ГЕС. Будуються при більш високих напору води. В цьому випадку річка повністю перегороджується греблею, а сама будівля ГЕС розташовується за греблею, у нижній її частині. Вода в цьому випадку підводиться до турбін через спеціальні напірні тунелі, а не безпосередньо, як в руслових ГЕС.
- Дериваційні гідроелектростанції. Такі електростанції будують в тих місцях, де великий ухил річки. Необхідна концентрація води в ГЕС такого типу створюється за допомогою деривації. Вода відводиться з річкового русла через спеціальні водовідведення. Останні - випрямлені, і їх ухил значно менший, ніж середній ухил річки. В результаті вода підводиться безпосередньо до будівлі ГЕС. Дериваційні ГЕС можуть бути різного виду - безнапірні або з напірної деривації. У випадку з напірної деривації, прокладається водовід з великим поздовжнім ухилом. В іншому випадку на початку деривації на річці створюється вища гребля, і створюється водосховище - така схема ще називається змішаної деривації, так як використовуються обидва методи створення необхідної концентрації води.
- Гідроакумулюючі електростанції. Такі ГАЕС здатні акумулювати вироблювану електроенергію і пускати її в хід в моменти пікових навантажень. Принцип роботи таких електростанцій наступний: в певні моменти (часи не пікового навантаження), агрегати ГАЕС працюють як насоси і закачують воду в спеціально обладнані верхні басейни. Коли виникає потреба, вода з них поступає в напірний трубопровід і, відповідно, приводить в дію додаткові турбіни.
У гідроелектричним станції, в залежності від їх призначення, також можуть входити додаткові споруди, такі як шлюзи або суднопідіймачі, що сприяють навігації по водоймі, рибопропускні, водозабірні споруди, що використовуються для іригації і багато іншого.
Цінність гідроелектричної станції полягає в тому, що для виробництва електричної енергії вони використовують поновлювані природні ресурси. З огляду на те, що потреби в додатковому паливі для ГЕС немає, кінцева вартість одержуваної електроенергії значно нижче, ніж при використанні інших видів електростанцій.
Табл. 1 Найбільші ГЕС в світі
Гідроелектростанція дериваційна. Такі електростанції будують в тих місцях, де великий ухил річки. Необхідна концентрація води в ГЕС такого типу створюється за допомогою деривації. Вода відводиться з річкового русла через спеціальні водовідведення. Останні - випрямлені, і їх ухил значно менший, ніж середній ухил річки. В результаті вода підводиться безпосередньо до будівлі ГЕС. Дериваційні ГЕС можуть бути різного виду - безнапірні або з напірної деривації. У випадку з напірної деривації, прокладається водовід з великим поздовжнім ухилом. В іншому випадку на початку деривації на річці створюється вища гребля і створюється водосховище - така схема ще називається змішаної деривації, так як використовуються обидва методи створення необхідної концентрації води.
У дериваційних ГЕС велика частина напору створюється за допомогою спеціальних каналів або тунелів, так званих дериваційних, або відвідних відвідав (слово деривация в перекладі означає відведення).
Ці водогони йдуть приблизно паралельно руслу річки, по ухил їх значно менше ухилу русла річки. Греблю, яка перекриває русло річки біля входу в дериваційний канал або тунель, зазвичай роблять невисокою і служить вона в основному не для створення напору, а для того, щоб направити воду в дериваційні водоводи (рис. 4).
У кінця дериваційних каналів споруджується будинок гідростанції. Тут різниця в ухилах русла річки і дериваційного каналу створює «сходинку», з якої вода повинна «зістрибнути» назад в русло річки.
До гідроелектростанціям такого типу відносяться Єреванська, Фархадской і інші. Дериваційні електростанції будують зазвичай на стрімких гірських річках, що мають великий ухил.
Нерідко вони працюють при досить великому напорі. Так, у одній із запроектованих дериваційних ГЕС напір досягає 1650 метрів.
Греблі ГЕС, навпаки, будують зазвичай на рівнинних річках, де ухил русла незначний і спорудження дериваційних ГЕС неможливо.
Мал. 3. ГЕС суміщеного типу. Вода, пройшовши сміттєстримні грати 1, напірний водовід 2, надходить в спіральну камеру гідравлічної турбіни 3 і йде через всмоктувальну трубу 4. Тут же знаходиться і водозлив 5. Надлишкова вода пропускається щитами 6.
Мал. 4. ГЕС дериваційного типу. Гребля 1 направляє частину води з дериваційного напірного водоводу 2 до зрівняльного резервуару 3, а потім через турбінний трубопровід 4 до турбін, розташованим в машинному приміщенні 5.
Гідроелектростанція підземна. Розташування споруд під землею дає можливість зводити дериваційні ГЕС практично в будь-яких, самих складних топографічних умовах. Компонування підземних споруд визначається в основному розташуванням будівлі ГЕС і за цією ознакою прийнято розрізняти три наступні схеми: 1 - головний - будівля ГЕС розташоване в початковій частині деривації, 2 - кінцева з довгою дериватом, що підводить, 3 - проміжна схема. Зростає число підземних об'єктів тепло- і електропостачання та інших виробництв. Визначилися 3 типові схеми підземних ГЕС: кінцева (будівля розташована в кінці траси деривати), головний (будівля поблизу водозабору), проміжна (будівля в середній частині траси деривати). Ці підземні споруди в порівнянні з наземними відрізняють менша протяжність напірних водоводів і гідравлічні втрати напору, витрата матеріалів, підвищена стійкість до впливів кліматичних та інших природних факторів (лавин, снігопадів тощо). Обсяги гірничо-будівельних робіт при спорудженні великої підземної ГЕС складають кілька млн. М 3 видобутих гірських порід (наприклад, обсяг всіх підземних виробок Інгурської ГЕС в CCCP, що має потужність 1300 МВт, - 3,2 млн. М 3. Рогунської ГЕС в CCCP потужністю 2,7 млн. кВт - 5,6 млн. м 3). Площі поперечних перерізів машинних залів підземних ГЕС - кілька сотень м 2. а їх протяжність від 50 до 500 метрів.
Manapouri Hydro Power Station - підземна ГЕС в Новій Зеландії.
Машинний зал і два 10-км тунелю нижнього б'єфу розташовані в горі на глибині до 200 м.
Мал. 5. Manapouri Hydro Power Station. вид з боку водосховища
Мал. 6. Такий корабель стоїть недалеко від станції Manapouri Hydro Power Station
Мал. 7. Машинний зал Manapouri Hydro Power Station
Гідроелектростанція пригребельного. Такі станції будуються при більш високих напору води. В цьому випадку річка повністю перегороджується греблею, а сама будівля ГЕС розташовується за греблею, у нижній її частині. Вода в цьому випадку підводиться до турбін через спеціальні напірні тунелі, а не безпосередньо, як в руслових ГЕС.
До греблі гідроелектростанцій відносяться Волховская ГЕС, Дніпрогес і багато інших. Греблі таких ГЕС різні за висотою, довжиною, матеріалу, з якого вони зроблені.
Всім відома за малюнками і фотографіями бетонна гребля Дніпрогесу, утворює пологу дугу. Гребля електростанції, запроектованої на річці Сулак в Дагестані, матиме висоту значно більше 150 метрів. Відомі й ще більш високі бетонні греблі.
Найбільш відповідальна, водозливна частина греблі, тобто та, через яку проходить вода, зазвичай споруджується із залізобетону. Решта ж, велика частина греблі, робиться з землі. Земляні греблі бувають іноді висотою в кілька десятків метрів і довжиною в кілька кілометрів.
Мал. 8. Схема пригреблева ГЕС Вода по напірним водоводах 1 надходить до турбін 2, розміщеним в будівлі, що знаходиться поблизу греблі, і через всмоктувальну трубу 3 надходить в русло річки.
Гідроелектростанція руслових. Це найбільш поширені види гідроелектричних станцій. Напір води в них створюється за допомогою установки мостом, повністю перегороджує річку, або піднімає рівень води в ній на необхідну позначку. Такі гідроелектростанції будують на багатоводних рівнинних річках, а також на гірських річках, в місцях, де русло річки вужче, стислий. Такі ГЕС споруджують зазвичай при тиску не більше 30 м.
Мал. 9. Схема руслової гідроелектричної станції: 1 - гребля; 2 - затвори; 3 - максимальний рівень верхнього б'єфу; 4 - мінімальний рівень верхнього б'єфу; 5 - гідравлічний підйомник; 6 - сміттєстримні грати; 7 гідрогенератор; 8 - гідравлічна турбіна; 9 - мінімальний рівень нижнього б'єфу; 10 - максимальний паводковий рівень